(57)【要約】【課題】回路破損を防止することができ、スイッチングロスが小さい電動車輪、移動装置および電動車輪の回転制御方法を提供する。【解決手段】三相ブラシレスＤＣモータ１１が、アウターロータ型であり、ダイレクトドライブ方式で駆動可能である。三相ブラシレスＤＣモータ１１の変速制御部２８が、３つの固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃのうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを制御して３つの固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃに順次電流を流す。変速制御部２８は、同時に電流が流れる２つの固定子巻線２６ｂ，２６ｃを制御する２対のスイッチング素子２３ａと２３ｂ，２４ａと２４ｂのうち一方の対の各スイッチング素子２３ａ，２３ｂを、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御する。【選択図】図１
2007135361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、
前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御する変速制御部を有することを、
特徴とする電動車輪。
【請求項２】
前記変速制御部はコンピュータから成り、
前記三相ブラシレスＤＣモータはアウターロータ型であり、ダイレクトドライブ方式で駆動可能であることを、
特徴とする請求項１の電動車輪。
【請求項３】
操作部を有し、
前記三相ブラシレスＤＣモータはロータとステータとを有し、前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、
前記操作部は前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付け可能に構成されていることを、
特徴とする請求項１または２記載の電動車輪。
【請求項４】
３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、
前記三相ブラシレスＤＣモータの電源とコンデンサとコイルと切換部と信号制御部とを有し、
前記電源は充放電可能であり、
前記コンデンサは前記電源に対して並列に接続可能に設けられ、
前記コイルは前記電源に対して直列に接続可能に設けられ、
前記切換部は前記電源を充電するとき、前記３対のスイッチング素子のうち２対のスイッチング素子の接続を、それぞれに対応する２つの固定子巻線から充電用の交流電源の端子への接続端子に切り換え、前記３対のスイッチング素子のうち前記２対のスイッチング素子とは異なる１対のスイッチング素子の接続を、対応する１つの固定子巻線から前記コイルの一端に切り換え、前記交流電源の交流電圧を直流電圧に変換可能に前記コンデンサを前記電源に対して並列に接続し、前記直流電圧をチョッパ制御可能に前記コイルの他端を前記電源に接続するよう構成され、
前記信号制御部は前記接続端子に充電用の交流電源の端子を接続したとき、前記電源を充電可能に前記３対のスイッチング素子を制御可能であることを、
特徴とする電動車輪。
【請求項５】
前記三相ブラシレスＤＣモータは、充放電可能な電源と、前記電源に対して並列に接続された電気二重層コンデンサとを有することを、特徴とする請求項１，２，３または４記載の電動車輪。
【請求項６】
複数の車輪を有する移動装置であって、
前記複数の車輪のうち少なくとも１つの車輪が、請求項１，２，３，４または５記載の電動車輪から成ることを、
特徴とする移動装置。
【請求項７】
３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪の回転制御方法であって、
前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、
同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御することを、
特徴とする電動車輪の回転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動車輪、電動車輪を有する移動装置、および電動車輪の回転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪として、ダイレクトドライブ型のもの（例えば、特許文献１参照）や、車輪に固定したプーリーを回転させるもの（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００３】
一般に、図６に示すように、三相ブラシレスＤＣモータ５０を三相方形波駆動する時には、回転子のＮ極が点線で区切られた領域１〜６（図中の丸数字）のどの領域にあるかを、３個のホールセンサＨa，Ｈb，Ｈcからの信号を演算して割り出し、スイッチング素子ＧＡＵ，ＧＡＬ，ＧＢＵ，ＧＢＬ，ＧＣＵ，ＧＣＬをオン・オフさせて、常にモータ５０の３つの固定子巻線ａ，ｂ，ｃのうち２つの固定子巻線のみを定電流駆動する方法が採られている。また、現在市販されている競技用電気自動車（ＥＶ）や特許文献１，２などの三相ブラシレスＤＣモータの駆動時には、各領域１〜６ごとに図７に示すようなゲート波形が観測されている。
【０００４】
領域１についてみると、アームＡ，Ｂのみがアクティブなので固定子巻線ａ，ｂ相のみに電流が流れ、固定子巻線ｃを駆動するアームＣはオフ状態となっている。各素子の機能を分かり易くするため、この領域１のモードをスイッチング素子ＧＡＵ，ＧＡＬ，ＧＢＵ，ＧＢＬ，ＧＣＵ，ＧＣＬの状態を考慮して、図８に示すような等価回路で表す。このとき、アームＡ，Ｂ間には、モータ５０の巻線インダクタンスＬＭと速度起電力ＥＭとが発生している。また、アームＡの上側がオンで下側がオフであるため、電気的には図８のように表すことができる。なお、ゲート信号がオフの部分は、モータ５０の動作に直接関係ないため、点線で表示している。
【０００５】
図８に示すように、三相ブラシレスＤＣモータ５０への印加電圧は、アームＢの下段のスイッチング素子ＧＢＬのゲート信号のデューティ比（一周期あたりのオン時間の割合）によって可変できるため、モータ５０の可変速駆動が十分可能である。しかし、この方式では、低速度での回生制動（モータ５０側からバッテリＥＢ側への電力供給）はできない。回生制動時には、図９に示すようなゲート駆動波形が観察されている。すなわち、三相ブラシレスＤＣモータ５０の全アームＡ，Ｂ，Ｃの下段だけをオン・オフさせて、モータ５０側からバッテリＥＢ側への昇圧チョッパ回路を構成する方式になっている。
【０００６】
この駆動方式を採用することにより、任意の走行速度での回生制動が可能になる。このモードを電気的な等価回路表示を行うと図１０に示すようになる。図９に示すように、アームＡ，Ｂ，Ｃの下段が全てＰＷＭ駆動を行っているため、図１０に示すようなスイッチング素子表示で表すことができる。また、上段は全てオフになっているため、動作に必要なアームＡの上段のダイオードのみ残し、モータ５０の動作に直接関係のない部分は点線で表している。
【０００７】
図１０に示すように、スイッチング素子ＧＡＬのデューティ比を変えれば、モータ５０の速度起電力ＥＭが昇圧されてバッテリＥＢに電力が戻るため、回生制動動作をすることを確かめることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−５６７６３号公報
【特許文献２】特開２００３−１１６９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の電気自動車（ＥＶ）や特許文献１，２などで使用される電動車輪では、図８に示す回転駆動状態と図１０に示す回生制動状態とを互いに切り換えるとき、アームＡの上・下段短絡が必ず生じることになる。このため、切り換えのとき、全てのスイッチング素子ＧＡＵ，ＧＡＬ，ＧＢＵ，ＧＢＬ，ＧＣＵ，ＧＣＬをオフにしてから切り換えなければならず、この手順が狂うと、回路破損が発生するという課題があった。また、図１０に示す領域１のモードでは、モータ５０の固定子巻線ｃと鎖交する磁束がゼロであるため、速度起電力は発生しない。このため、図９に示すように、スイッチング素子ＧＢＬやＧＣＬをＰＷＭ制御する意味はなく、スイッチングロスが大きいという課題もあった。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、回路破損を防止することができ、スイッチングロスが小さい電動車輪、移動装置および電動車輪の回転制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る電動車輪は、３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御する変速制御部を有することを、特徴とする。
【００１２】
本発明に係る電動車輪の回転制御方法は、３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪の回転制御方法であって、前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御することを、特徴とする。
【００１３】
本発明に係る電動車輪および本発明に係る電動車輪の回転制御方法では、同時に電流が流れる２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御するため、その各スイッチング素子のゲート信号のデューティ比が、それぞれα（０≦α≦１）および１−αの相補的な関係になる。このため、そのデューティ比を制御することにより、その各スイッチング素子が制御する固定子巻線の電位を０から電源電圧まで変化させることができる。固定子巻線の電位が三相ブラシレスＤＣモータの速度起電力より大きいときは回転が加速し、小さいときは回転が減速する。このように、回転駆動状態と回生制動状態とをスムーズに切り換えることができ、回路の短絡が生じないため、回路破損を防止することができる。また、スイッチング素子に対して不必要な制御を行わないため、スイッチングロスが小さい。
【００１４】
本発明に係る電動車輪および本発明に係る電動車輪の回転制御方法では、３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、３対のスイッチング素子を制御して３つの固定子巻線に順次電流を流すことにより、回転駆動することができる。各固定子巻線に電流を流す順番を変えることにより、回転方向を反転させることができる。
【００１５】
本発明に係る電動車輪で、前記変速制御部はコンピュータから成り、前記三相ブラシレスＤＣモータはアウターロータ型であり、ダイレクトドライブ方式で駆動可能であることが好ましい。この場合、コンピュータにより、スムーズな変速や前後進、急加速、急発進、急制動などを、最適な制御により行うことができる。また、例えば、移動装置に使用した場合、スムーズな右左折やＵターン、狭い場所での方向転換なども、最適な制御により行うことができる。
【００１６】
本発明に係る電動車輪は、操作部を有し、前記三相ブラシレスＤＣモータはロータとステータとを有し、前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、前記操作部は前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付け可能に構成されていてもよい。この場合、ロータの回転停止時に、操作部によりステータを付勢力に抗して停止位置に位置付けることにより、ステータをロータに機械的に接触させてロータが回転しないようにすることができる。このため、例えば、移動装置に使用した場合、傾斜地に駐車しても移動しないよう駐車ブレーキとして使用することができる。なお、ロータとステータとの接触部で摩耗が生じて故障するのを防ぐため、ステータを停止位置に位置付けたとき、三相ブラシレスＤＣモータに電流を流さないよう構成されていることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る電動車輪は、３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、前記三相ブラシレスＤＣモータの電源とコンデンサとコイルと切換部と信号制御部とを有し、前記電源は充放電可能であり、前記コンデンサは前記電源に対して並列に接続可能に設けられ、前記コイルは前記電源に対して直列に接続可能に設けられ、前記切換部は前記電源を充電するとき、前記３対のスイッチング素子のうち２対のスイッチング素子の接続を、それぞれに対応する２つの固定子巻線から充電用の交流電源の端子への接続端子に切り換え、前記３対のスイッチング素子のうち前記２対のスイッチング素子とは異なる１対のスイッチング素子の接続を、対応する１つの固定子巻線から前記コイルの一端に切り換え、前記交流電源の交流電圧を直流電圧に変換可能に前記コンデンサを前記電源に対して並列に接続し、前記直流電圧をチョッパ制御可能に前記コイルの他端を前記電源に接続するよう構成され、前記信号制御部は前記接続端子に充電用の交流電源の端子を接続したとき、前記電源を充電可能に前記３対のスイッチング素子を制御可能であってもよい。この場合、切換部により接続を切り換え、接続端子に充電用の交流電源の端子を接続することにより、三相ブラシレスＤＣモータの電源の充電を行うことができる。三相ブラシレスＤＣモータのスイッチング素子を利用して電源の充電が可能であり、トランスレスで軽く、実用性が高い。なお、充電用の交流電源が家庭用のＡＣ電源から成り、交流電源の端子がＡＣ電源のコンセントから成っていてもよい。この場合、家庭用のＡＣ電源のコンセントに差し込んで、容易に電源を充電することができる。
【００１８】
本発明に係る電動車輪で、前記三相ブラシレスＤＣモータは、充放電可能な電源と、前記電源に対して並列に接続された電気二重層コンデンサとを有していてもよい。この場合、電気二重層コンデンサにより、回生制動時や下り坂での使用時などに、三相ブラシレスＤＣモータからの回生電流を吸収することができ、電力回収能力を高めることができる。また、電気二重層コンデンサにより、電源の充電一回あたりの走行可能距離を伸ばすこともできる。
【００１９】
本発明に係る移動装置は、複数の車輪を有する移動装置であって、前記複数の車輪のうち少なくとも１つの車輪が、本発明に係る電動車輪から成ることを、特徴とする。
【００２０】
本発明に係る移動装置は、例えば、バイクやセグウェイなどの２輪車、３輪車、車椅子やシニアカー、電気自動車などの４輪車である。本発明に係る電動車輪を１輪使用する場合、駆動輪として使用することができる。本発明に係る電動車輪を２輪使用する場合、各電動車輪を平行に固定し、各電動車輪の回転方向と回転速度を適切に制御することにより、ステアリング機構や差動ギヤを用いることなく、スムーズな右左折やユーターン、狭い場所での方向転換などを行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回路破損を防止することができ、スイッチングロスが小さい電動車輪、移動装置および電動車輪の回転制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図５は、本発明の実施の形態の電動車輪および電動車輪の回転制御方法を示している。
図１乃至図３に示すように、電動車輪は、三相ブラシレスＤＣモータ１１と操作部１２とタイヤ１３とを有している。
【００２３】
図１および図２に示すように、三相ブラシレスＤＣモータ１１は、電源２１とモータ本体２２と３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂと３つの固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃと３つのホールセンサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃと変速制御部２８と電気二重層コンデンサ２９とコンデンサ３０とコイル３１と切換部３２と信号制御部３３とを有している。
電源２１は、鉛バッテリから成り、充放電可能である。なお、電源２１は、急速な充放電が可能なリチウムイオンバッテリから成っていてもよい。
【００２４】
図３に示すように、モータ本体２２は、ロータ３４とステータ３５とを有している。ロータ３４は、ホイールを形成し、円盤状の側板部３４ａと、側板部３４ａの縁に沿って側板部３４ａの一方の側にほぼ垂直に突出して設けられた外周部３４ｂとを有している。ロータ３４は、側板部３４ａと外周部３４ｂとの境界付近に、外周部３４ｂの内面に沿って、側板部３４ａの中心に向かって傾斜したロータ側ブレーキリング３４ｃを有している。ステータ３５は、ロータ３４の外周部３４ｂの内側に設けられている。ステータ３５は、スプライン３６を介してロータ３４と同軸で取り付けられている。ステータ３５は、ロータ側ブレーキリング３４ｃと対向する位置に、ロータ側ブレーキリング３４ｃに平行なステータ側ブレーキリング３５ａを有している。ステータ３５は、ステータ側ブレーキリング３５ａがロータ側ブレーキリング３４ｃに接触した停止位置と、ステータ側ブレーキリング３５ａがロータ側ブレーキリング３４ｃから離れた解放位置とを移動可能に、ロータ３４の回転軸付近に設けられた皿バネ３７により、解放位置に付勢されて設けられている。このように、モータ本体２２は、アウターロータ型で、ロータ３４をステータ３５に対して回転させるよう、ダイレクトドライブ方式で駆動可能になっている。
【００２５】
図１に示すように、３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、各対の各スイッチング素子２３ａと２３ｂ，２４ａと２４ｂ，２５ａと２５ｂが直列に接続され、各対がそれぞれ電源２１に対して並列に接続されている。
各固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、モータ本体２２と、各対の各スイッチング素子２３ａと２３ｂ，２４ａと２４ｂ，２５ａと２５ｂの間とにそれぞれ接続されている。
各ホールセンサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、モータ本体２２の周囲に設けられ、モータ本体２２のＮ極の位置を検出可能に構成されている。
【００２６】
図１および図２に示すように、変速制御部２８は、コンピュータから成り、各ホールセンサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃからの検出信号を受信して、モータ本体２２のロータ３４を回転制御可能になっている。図４に示すように、変速制御部２８は、３つの固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃのうち２つの固定子巻線（例えば、２６ｂと２６ｃなど）に同時に電流を流すよう、３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを制御して３つの固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃに順次電流を流すようになっている。また、同時に電流が流れる２つの固定子巻線（例えば、２６ｂと２６ｃなど）を制御する２対のスイッチング素子（例えば、２３ａと２３ｂ，２４ａと２４ｂなど）のうち一方の対の各スイッチング素子（例えば、２３ａと２３ｂなど）を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御するようになっている。
【００２７】
このように、三相ブラシレスＤＣモータ１１は、各ホールセンサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃによりモータ本体２２のＮ極の位置を検出し、各対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂにより各固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃに流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御可能になっている。
【００２８】
図１に示すように、電気二重層コンデンサ２９は、電源２１に対して並列に接続されている。
コンデンサ３０は、電源２１に対して並列に接続可能に設けられている。
コイル３１は、電源２１に対して直列に接続可能に設けられている。
【００２９】
図１および図２に示すように、切換部３２は、第１スイッチ３８ａ，３８ｂと第２スイッチ３９と第３スイッチ４０と第４スイッチ４１とを有している。第１スイッチ３８ａ，３８ｂは、電源２１を充電するとき、２対のスイッチング素子２４ａと２４ｂ，２５ａと２５ｂの接続を、それぞれに対応する２つの固定子巻線２６ｃ，２６ａから充電用の交流電源１の端子への接続端子２ａ，２ｂに切り換えるようになっている。第２スイッチ３９は、電源２１を充電するとき、１対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂの接続を、対応する１つの固定子巻線２６ｂからコイル３１の一端に切り換えるようになっている。第３スイッチ４０は、電源２１を充電するとき、充電用の交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換可能に、コンデンサ３０を電源２１に対して並列に接続するようになっている。第４スイッチ４１は、電源２１を充電するとき、その変換された直流電圧をチョッパ制御可能に、コイル３１の他端を電源２１に接続するようになっている。切換部３２は、第１スイッチ３８ａ，３８ｂ、第２スイッチ３９、第３スイッチ４０および第４スイッチ４１を、充電側（図１のＣｈ）とモータ側（図１のＤｒ）とに同時に切換可能に構成されている。
【００３０】
信号制御部３３は、コンピュータから成り、切換部３２をモータ側から充電側に切り換えて、接続端子２ａ，２ｂに充電用の交流電源１の端子を接続したとき、電源２１を充電可能に３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを制御可能になっている。なお、信号制御部３３は、変速制御部２８とともに一つのコンピュータから構成されていてもよい。
【００３１】
図３に示すように、操作部１２は、ホイール取付部４２とスラスタ４３とコイルバネ４４とブレーキワイヤ４５とを有している。ホイール取付部４２は、モータ本体２２のステータ３５のロータ３４と反対側に取り付けられている。スラスタ４３は、楔状に形成され、ステータ３５とホイール取付部４２との間に、その間隔を変更可能に設けられている。ブレーキワイヤ４５は、スラスタ４３に接続され、スラスタ４３をホイール取付部４２に沿って移動可能になっている。コイルバネ４４は、ステータ３５とホイール取付部４２との間隔を狭くする方向にスラスタ４３を付勢するよう、ブレーキワイヤ４５が貫通されて設けられている。
【００３２】
操作部１２は、ロータ３４の回転停止時に、ブレーキワイヤ４５を引っ張ると、スラスタ４３がコイルバネ４４の付勢力に抗してホイール取付部４２に沿って移動し、ステータ３５とホイール取付部４２との間隔を広げ、ステータ３５を皿バネ３７の付勢力に抗して停止位置に位置付けるようになっている。さらに、操作部１２は、ブレーキワイヤ４５を緩めると、スラスタ４３がコイルバネ４４の付勢力によりホイール取付部４２に沿って移動し、ステータ３５とホイール取付部４２との間隔を狭め、皿バネ３７の付勢力によりステータ３５を解放位置に位置付けるようになっている。また、操作部１２は、ロータ３４の回転時には常に、ブレーキワイヤ４５の操作にかかわらず、皿バネ３７の付勢力によりステータ３５を解放位置に位置付けるようになっている。
図３に示すように、タイヤ１３は、ロータ３４の外周部３４ｂの外側に設けられている。
【００３３】
次に、作用について説明する。
図４に示すように、本発明の実施の形態の電動車輪および電動車輪の回転制御方法では、同時に電流が流れる２つの固定子巻線（例えば、２６ｂ，２６ｃなど）を制御する２対のスイッチング素子（例えば、２３ａと２３ｂ，２４ａと２４ｂなど）のうち一方の対の各スイッチング素子（例えば、２３ａと２３ｂなど）を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御している。これを、図４の領域１（図中の丸数字）についてみると、図５に示す電気的な等価回路で表すことができる。図５に示すように、各スイッチング素子２３ａ，２３ｂのゲート信号のデューティ比は、それぞれα（０≦α≦１）および１−αの相補的な関係になる。
【００３４】
図５に示すように、点Ａのアース点からの電位ｅＡの平均値をｅＡとすると、この回路が双方向型回路であるため、
ｅＡ＝αＥＢ      または、  ＥＢ＝ｅＡ／α    ［０≦α≦１］
となり、αを変化させるとｅＡを０から電源２１の電圧ＥＢまで自由に変えることができる。このため、ｅＡとモータ本体２２の速度起電力ＥＭの大小関係により、
ｅＡ＞ＥＭ      ならば、回転駆動状態、
ｅＡ＜ＥＭ      ならば、回生制動状態、
を実現することができる。
【００３５】
また、図４に示す領域２〜６でも、同様な動作原理により回転駆動状態と回生制動状態を実現することができる。すなわち、各スイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂのゲート信号のデューティ比を制御することにより、その各スイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂが制御する固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃの電位を０から電源２１の電圧まで変化させることができる。その固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃの電位が三相ブラシレスＤＣモータ１１の速度起電力より大きいときは回転が加速し、小さいときは回転が減速する。このように、回転駆動状態と回生制動状態とをスムーズに切り換えることができる。このため、例えば１つの回転つまみで、各スイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂのゲート信号のデューティ比を制御して、任意の回転速度にスムーズに制御可能にすることができる。
【００３６】
また、回転駆動状態と回生制動状態とを切り換えるとき、回路の短絡が生じないため、回路破損を防止することができる。各スイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに対して不必要な制御を行わないため、スイッチングロスが小さい。
【００３７】
３つの固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃのうち２つの固定子巻線（例えば、２６ｂ，２６ｃなど）に同時に電流を流すよう、３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを制御して３つの固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃに順次電流を流すことにより、回転駆動することができる。各固定子巻線２６ａ，２６ｂ，２６ｃに電流を流す順番を変えることにより、回転方向を反転させることができる。
【００３８】
図１および図２に示すように、本発明の実施の形態の電動車輪は、切換部３２をモータ側から充電側に切り換え、接続端子２ａ，２ｂに充電用の交流電源１の端子を接続したとき、信号制御部３３により３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを制御して、三相ブラシレスＤＣモータ１１の電源２１の充電を行うことができる。このとき、電源２１に対して並列に接続されたコンデンサ３０により、充電用の交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換し、電源２１に接続されたコイル３１により、その変換された直流電圧をチョッパ制御することができる。また、信号制御部３３がコンピュータから成るため、３対のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂの制御を最適かつ容易に行うことができる。このように、三相ブラシレスＤＣモータ１１のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを利用して電源２１の充電が可能であり、トランスレスで軽く、実用性が高い。
【００３９】
本発明の実施の形態の電動車輪は、電気二重層コンデンサ２９により、回生制動時や下り坂での使用時などに、三相ブラシレスＤＣモータ１１からの回生電流を吸収することができ、電力回収能力を高めることができる。また、電気二重層コンデンサ２９により、電源２１の充電一回あたりの走行可能距離を伸ばすこともできる。
【００４０】
図３に示すように、本発明の実施の形態の電動車輪は、ロータ３４の回転停止時に、ブレーキワイヤ４５を引っ張って、ステータ３５を付勢力に抗して停止位置に位置付けることにより、ステータ側ブレーキリング３５ａをロータ側ブレーキリング３４ｃに機械的に接触させてロータ３４が回転しないようにすることができる。このとき、ステータ側ブレーキリング３５ａおよびロータ側ブレーキリング３４ｃの形状によるクサビ効果で、回転に対する停止力を大きくすることができる。これにより、移動装置に使用したとき、傾斜地に駐車しても移動しないよう駐車ブレーキとして使用することができる。
【００４１】
なお、三相ブラシレスＤＣモータ１１のような電気モータは、ロータ３４とステータ３５のギャップが非常に小さいため、このようなブレーキシステムが最適である。また、希土類磁石を用いたロータ３４の場合、磁石保護などの目的で磁石の表面を鋼板で保護していることが多く、その鋼板の強度が十分に大きければ、例えば、ステータ３５およびロータ３４の鏡面同士や、外周側面と内周側面とを接触させるような、より簡単な摩擦ブレーキの構造を採用することもできる。
【００４２】
このように、駐車時にはモータ本体２２のロータ３４とステータ３５との接触を利用し、走行時には回生ブレーキを使用するため、従来のような機械ブレーキを特別に設ける必要はない。本発明の実施の形態の電動車輪は、いわゆるエンジンおよびブレーキ付きタイヤといえ、全く新しい型の車輪であり、未来型の電気自動車の構成要素として必要不可欠な重要部品になるものと考えられる。
【００４３】
本発明の実施の形態の電動車輪は、好適には、複数の車輪を有する移動装置に使用される。移動装置は、例えば、バイクやセグウェイなどの２輪車、３輪車、車椅子やシニアカー、電気自動車などの４輪車である。２つの電動車輪を平行に固定し、各電動車輪の回転方向と回転速度を適切に制御することにより、ステアリング機構や差動ギヤを用いることなく、スムーズな右左折やユーターン、狭い場所での方向転換などを行うことができる。また、変速制御部２８がコンピュータから成るため、スムーズな変速や前後進、急加速、急発進、急制動などを、最適な制御により行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態の電動車輪の三相ブラシレスＤＣモータを示す回路図である。
【図２】図１に示す電動車輪の三相ブラシレスＤＣモータを示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態の電動車輪を示す部分断面図である。
【図４】図１に示す電動車輪の三相ブラシレスＤＣモータの各スイッチング素子に流すゲート信号波形図である。
【図５】図１に示す電動車輪の三相ブラシレスＤＣモータの、図４に示す領域１での等価回路を示す回路図である。
【図６】従来例の三相ブラシレスＤＣモータを示す回路図である。
【図７】従来例の三相ブラシレスＤＣモータの回転駆動時の各スイッチング素子に流れるゲート信号波形図である。
【図８】従来例の三相ブラシレスＤＣモータの、図７に示す領域１での等価回路を示す回路図である。
【図９】従来例の三相ブラシレスＤＣモータの回生制動時の各スイッチング素子に流れるゲート信号波形図である。
【図１０】従来例の三相ブラシレスＤＣモータの、図９に示す領域１での等価回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１  三相ブラシレスＤＣモータ
１２  操作部
１３  タイヤ
２１  電源
２２  モータ本体
２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ  スイッチング素子
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ  固定子巻線
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ  ホールセンサ
２８  変速制御部
２９  電気二重層コンデンサ
３０  コンデンサ
３１  コイル
３２  切換部
３３  信号制御部
３４  ロータ
３５  ステータ
【図１】
2007135361.tif 000003
【図２】
2007135361.tif 000004
【図３】
2007135361.tif 000005
【図４】
2007135361.tif 000006
【図５】
2007135361.tif 000007
【図６】
2007135361.tif 000008
【図７】
2007135361.tif 000009
【図８】
2007135361.tif 000010
【図９】
2007135361.tif 000011
【図１０】
2007135361.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月19日(2007.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、
操作部を有し、
前記三相ブラシレスＤＣモータは変速制御部とロータとステータとを有し、前記変速制御部は前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御するよう構成され、前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、
前記操作部は前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付け可能に構成されていることを、
特徴とする電動車輪。
【請求項２】
前記変速制御部はコンピュータから成り、
前記三相ブラシレスＤＣモータはアウターロータ型であり、ダイレクトドライブ方式で駆動可能であることを、
特徴とする請求項１の電動車輪。
【請求項３】
３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、
操作部を有し、
前記三相ブラシレスＤＣモータはロータとステータと電源とコンデンサとコイルと切換部と信号制御部とを有し、
前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、
前記電源は充放電可能であり、
前記コンデンサは前記電源に対して並列に接続可能に設けられ、
前記コイルは前記電源に対して直列に接続可能に設けられ、
前記切換部は前記電源を充電するとき、前記３対のスイッチング素子のうち２対のスイッチング素子の接続を、それぞれに対応する２つの固定子巻線から充電用の交流電源の端子への接続端子に切り換え、前記３対のスイッチング素子のうち前記２対のスイッチング素子とは異なる１対のスイッチング素子の接続を、対応する１つの固定子巻線から前記コイルの一端に切り換え、前記交流電源の交流電圧を直流電圧に変換可能に前記コンデンサを前記電源に対して並列に接続し、前記直流電圧をチョッパ制御可能に前記コイルの他端を前記電源に接続するよう構成され、
前記信号制御部は前記接続端子に充電用の交流電源の端子を接続したとき、前記電源を充電可能に前記３対のスイッチング素子を制御可能であり、
前記操作部は前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付け可能に構成されていることを、
特徴とする電動車輪。
【請求項４】
前記三相ブラシレスＤＣモータは、充放電可能な電源と、前記電源に対して並列に接続された電気二重層コンデンサとを有することを、特徴とする請求項１，２または３記載の電動車輪。
【請求項５】
複数の車輪を有する移動装置であって、
前記複数の車輪のうち少なくとも１つの車輪が、請求項１，２，３または４記載の電動車輪から成ることを、
特徴とする移動装置。
【請求項６】
３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪の回転制御方法であって、
前記三相ブラシレスＤＣモータはロータとステータとを有し、前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、
前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、
同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御し、
前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付けることを、
特徴とする電動車輪の回転制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る電動車輪は、３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、操作部を有し、前記三相ブラシレスＤＣモータは変速制御部とロータとステータとを有し、前記変速制御部は前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御するよう構成され、前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、前記操作部は前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付け可能に構成されていることを、特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明に係る電動車輪の回転制御方法は、３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪の回転制御方法であって、前記三相ブラシレスＤＣモータはロータとステータとを有し、前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、前記３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、前記３対のスイッチング素子を制御して前記３つの固定子巻線に順次電流を流し、同時に電流が流れる前記２つの固定子巻線を制御する２対のスイッチング素子のうち一方の対の各スイッチング素子を、互いにオンまたはオフの逆の状態になるよう、それぞれオンとオフとを繰り返し切り換えてＰＷＭ制御し、前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付けることを、特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明に係る電動車輪および本発明に係る電動車輪の回転制御方法では、３つの固定子巻線のうち２つの固定子巻線に同時に電流を流すよう、３対のスイッチング素子を制御して３つの固定子巻線に順次電流を流すことにより、回転駆動することができる。各固定子巻線に電流を流す順番を変えることにより、回転方向を反転させることができる。ロータの回転停止時に、操作部によりステータを付勢力に抗して停止位置に位置付けることにより、ステータをロータに機械的に接触させてロータが回転しないようにすることができる。このため、例えば、移動装置に使用した場合、傾斜地に駐車しても移動しないよう駐車ブレーキとして使用することができる。なお、ロータとステータとの接触部で摩耗が生じて故障するのを防ぐため、ステータを停止位置に位置付けたとき、三相ブラシレスＤＣモータに電流を流さないよう構成されていることが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明に係る電動車輪は、３対のスイッチング素子により３つの固定子巻線に流す電流を制御して、回転方向および回転速度を制御する三相ブラシレスＤＣモータにより駆動する電動車輪であって、操作部を有し、前記三相ブラシレスＤＣモータはロータとステータと電源とコンデンサとコイルと切換部と信号制御部とを有し、前記ステータは前記ロータに接触した停止位置と前記ロータから離れた解放位置とを移動可能に、前記解放位置に付勢されて設けられ、前記電源は充放電可能であり、前記コンデンサは前記電源に対して並列に接続可能に設けられ、前記コイルは前記電源に対して直列に接続可能に設けられ、前記切換部は前記電源を充電するとき、前記３対のスイッチング素子のうち２対のスイッチング素子の接続を、それぞれに対応する２つの固定子巻線から充電用の交流電源の端子への接続端子に切り換え、前記３対のスイッチング素子のうち前記２対のスイッチング素子とは異なる１対のスイッチング素子の接続を、対応する１つの固定子巻線から前記コイルの一端に切り換え、前記交流電源の交流電圧を直流電圧に変換可能に前記コンデンサを前記電源に対して並列に接続し、前記直流電圧をチョッパ制御可能に前記コイルの他端を前記電源に接続するよう構成され、前記信号制御部は前記接続端子に充電用の交流電源の端子を接続したとき、前記電源を充電可能に前記３対のスイッチング素子を制御可能であり、前記操作部は前記ロータの回転時に前記ステータを前記解放位置に位置付け、前記ロータの回転停止時に前記ステータを付勢力に抗して前記停止位置に位置付け可能に構成されていてもよい。この場合、切換部により接続を切り換え、接続端子に充電用の交流電源の端子を接続することにより、三相ブラシレスＤＣモータの電源の充電を行うことができる。三相ブラシレスＤＣモータのスイッチング素子を利用して電源の充電が可能であり、トランスレスで軽く、実用性が高い。なお、充電用の交流電源が家庭用のＡＣ電源から成り、交流電源の端子がＡＣ電源のコンセントから成っていてもよい。この場合、家庭用のＡＣ電源のコンセントに差し込んで、容易に電源を充電することができる。